Smart pavement maintenance and infrastructure operation through digital twins

QC231030

Abstract

Det finns ett stort behov av att göra sättet på vilket människor och gods förflyttar sig mer hållbart. Även om vägbeläggning är en av de viktigaste komponenterna i vägtransportsnät och logistiksystem, så bortses de vanligtvis i systematiska hållbarhetsanalyser. Detta innebär betydande "downtime" för ad hoc-reparationer och en generell praxis med högre resurs- och energiförbrukning inom kritisk transportinfrastruktur, vilket i sin tur leder till ogynnsamma konsekvenser för aktörer inom transportnätverket. Även om teknologiska framsteg snabbt sker inom transport-, sensor- och datavetenskapliga områden, så implementeras sådana framsteg sällan systematiskt eller utnyttjas för planering av infrastrukturs underhåll. Teknologier som gör själva vägen "smart" befinner sig fortfarande i pilot- eller projektstadiet och används inte i större utsträckning. Det finns en betydande risk att potentiella hållbarhetsvinster genom förändringar på fordonssidan (till exempel mot en flotta av autonoma eller elektriska fordon) skuggas av de kontinuerliga hållbarhetsförlusterna på infrastrukturs underhållssidan. Därför behövs det sätt för att visa hur sådana teknologier kan integreras i daglig och långsiktig förvaltning av transportinfrastruktur för att förbättra hållbarheten i hela transportkedjan.

Av denna anledning startade projektet ELISA (Energy Effective Logistics and Infrastructure Systems Assessment for Cargo Port) år 2019, med fokus på den nyligen byggda hamnen Norvik i södra Stockholm för utvecklingen av en digital tvillingmodell. Projektet bestod av ett team av KTH-forskare med olika bakgrunder som tillsammans med intressenter från hamnen arbetade med att utveckla och demonstrera hur en digital tvilling av hamnen kunde göras så realistisk som möjligt och därigenom bidra till det nödvändiga paradigmskiftet. Denna avhandling är en av de tre forskningsprojekt som ingick i ELISA-projektet och som tillsammans syftade till att erbjuda en systematisk väg framåt för godstransportsystem om hur ökad digitalisering, automatisering och hållbarhet för enskilda komponenter och processer kan leda till förbättrad energieffektivitet.

I denna avhandling utvecklades delarna av den digitala tvillingmodell som representerar de faktiska fysiska geometrierna av vägbeläggning strukturer, karakteriseringen och modelleringen av de mekaniska vägbeläggnings materialens egenskaper och deras nedbrytning, kopplingen till den faktiska in-situ-statusen för vägbeläggningarna vid hamnen samt kopplingen till logistikmodellen. Målet med denna avhandling var därför att visa att genom tvåvägskopplingen av den fysiska (vägbeläggningen) och den virtuella (operationerna) infrastrukturen vid hamnen har tvillingmodellen potential att stödja och vägleda hållbarhetsförbättringar av hamnens infrastruktursystem genom att minska den totala resurs- och energianvändningen. För att uppnå detta mål består denna avhandling av tre delar: identifiering och kritisk utvärdering av verktyg som kan ingå i återkopplingsloopen för data från den fysiska objektet (hamnen) till den digitala tvillingen, utvecklingen av själva ramverket för den digitala tvillingen och demonstrationen av dess potentiella användning:

•  En viktig aspekt av digitala tvillingar är att de möjliggör en kontinuerlig interaktion med den faktiska statusen för det fysiska objekt som modelleras. Därför utforskades i den första fasen av avhandlingen några nyckelkomponenter som kunde ge kontinuerlig övervakning av vägbeläggning från Norviks hamn. Mer specifikt utvärderades möjligheten att använda obemannade flygfordon (UAV) och olika sensorteknologier för pålitlig informationsinhämtning vid hamnen.
• Genom att fokusera på en förebyggande strategi och behandla vägbeläggnings problem innan de kräver stora ingrepp blir det möjligt att förbättra systemets hållbarhet som helhet. Detta krävde en beräkningsmodell som kunde representera geometrin och materialens egenskaper hos det fysiska objektet (Norviks hamn). Därför samlades vägbeläggningsmaterial in från hamnen och testades i laboratoriet för deras mekaniska egenskaper och känslighet för fukt. BIM-informationen från hamnens byggfas uppdaterades med detaljer om de färdiga vägbeläggningsstrukturerna. En materialmodell som kunde representera asfaltlagrens viskoelastoplastiska natur kalibrerades baserat på labbdata, och Finite Element modeller som representerade geometrin och materialens egenskaper vid hamnen utvecklades för de sektioner av hamnen som ansågs vara kritiska.

• Den utvecklade Finite Elemement modellen kopplades till logistikmodellen för att bilda hamnens digitala tvilling och möjliggöra demonstration av hur infrastrukturens livslängd kan påverkas genom att ändra hamnens operationer och hur den utvecklade modellen således kan förbättra hamnens underhållsplanering mer holistiskt. Det utfördes detaljerade scenarioanalyser för de tre mest kritiska områdena som visar den digitala tvillingens förmåga att förlänga infrastrukturens livslängd genom att koppla samman olika system som normalt betraktas som oberoende.

Användningsfallet för hamnen hade fördelen att vara ett delvis slutet system med mycket väletablerade logistikoperationer bakom sig. Eftersom hamnar generellt sett är verksamhetsbaserade har "downtime" tydliga konsekvenser för anläggningens ekonomi och påverkar omedelbart transportvärdekedjan. Även om fokus i denna avhandling ligger på Norviks anläggning är den övergripande avsikten att visa att koppling av olika delar av transportvärdekedjan behövs för att förbättra transportsystemets övergripande hållbarhet och att vägbeläggningarna, som idag bara betraktas som en underlättare för rörlighet, bör ges en viktigare roll i detta arbete. Med framväxten av digitalisering inom transportsektorn är det därför inte en osannolik scenariogift att möjligheten att styra trafik med fokus på att förlänga vägbeläggningslivslängden även blir ett troligt scenario för mer öppna transportsystem.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-338854